盐胁迫对空心莲子草生长和光合作用的影响

1、 刘爱荣, 张远兵, 陈庆榆,张丛宇,熊周林,何庆元, 王桂芹(安徽科技学院 生命科学院,安徽 蚌埠 233100摘要:用 NaCl 浓度为0(对照 、50、100 、150、200、250、300心莲子草Alternanthera philoxeroides (Mart .Griseb 。结果表明:盐胁迫下,植株鲜重、干重和根冠比都下降,含水量和肉质化程度先略高于对照,而后逐渐下降;根、茎和叶中Na +含量呈上升趋势,而K +含量呈下降趋势,且在同一浓度的盐处理下,叶的Na +和K +含量最高,茎的次之,根的最低;游离氨基酸(free amino acid ,FAA 逐渐减少,脯氨酸(pro

2、line ,Pro 含量先略低于对照,而后则急剧上升,可溶性糖含量(soluble sugar ,SS 的变化正相反;净光合速率(net photosynthetic rate ,Pn 、气孔导度(stomatal conductance ,G s 和蒸腾速率(transpiration rate ,Tr 呈下降趋势,胞间CO 2浓度(intercellular CO 2concentration ,Ci 呈上升趋势;膜稳定性呈下降趋势。因此,空心莲子草是一种盐生植物,且最适盐浓度较低;Na +主要积累在地上部的茎和叶中。推测它有可能向盐渍土壤蔓延。关键词:空心莲子草;盐胁迫;生长;净光合速率

3、;含水量;膜透性中图分类号:Q 945文献标识码:A 文章编号:0253-2700(200701-085-06LIU Ai -Rong ,ZHANG Yuan -Bing ,CHEN Qing -Yu ,ZHANG Cong -Yu ,XIONG Zhou -Lin ,HE Qing -Yuan ,WANG Gui -Qin(Life Science College ,Anhui Science and Technology University ,Benbu 233100,China Alternanthera philoxeroides was treated with NaCl of d

4、ifferent concentrations (0,50,100,150,200,250,300and The results showed :(1Under NaCl treatment ,the fresh weight ,the dry weight and the root shoot ratio decreased .(2Water content and the succulency degree of whole plant appeared to increase first and then gradually decline as salinity increased .

5、(3Na +contents increased and K +contents decreased in root ,stem and leaf .Na+and K+contents in leaf were the highest under the same salinity ,those in stem were next and those in root were thelowest .(4FAA content gradually decreased .(5Pro content appeared to decline first and then increase as sal

6、inity in -creased .(6Soluble sugar changed in the opposite direction .(7Pn ,G s and Tr decreased and Ci increased .The relative conductivity of leaves increased significantly .(8The malondialdehyde (MD A content declined at about NaCl at about NaCl 100-350Those parameters indicated that A .philoxero

7、ides was halophyte ,but its salt tolerance was not strong and its NaCl optimal concentration lowed Na +mainly accu -mulated in stem and leaf of A .philoxeroide and it would probably spread to the salt soil .Alternanthera philoxeroides ;Salt stress ;Growth ;Photosynthesis ;Water content ;Membrane per

8、meability空心莲子草(Alternanthe ra philoxeroides 为苋科、莲子草属的多年生宿根性草本植物,原产南美洲云南植物研究 2007,29(1:8590Acta Botanica Yunnanica基金项目:安徽省教育厅自然科学研究项目(2005KJ 322z 和安徽科技学院引进人才项目(ZRC 200436资助收稿日期:2006-03-28,2006-09-18接受发表作者简介:刘爱荣(1966-女,副教授,硕士,从事植物抗性生理研究。E -mail :arliu 88tom .com的巴西、乌拉圭、阿根廷等国家(Coulson ,1976。我国自1958年作为牲

9、畜饲料引入后,现已分布到四川、湖南等20多个省市(区。它适应性广,发生环境有草坪、池塘、沟渠、稻田、蔬菜田、旱作物田、果园、河流、房前屋后、路旁地边等,常常形成单一的优势群落,覆盖水域或陆地(王韧和王远,1988。其繁殖方式为典型的无性繁殖,地下异常生长的肉质根上能产生大量的不定芽,由不定芽产生许多植株。适合水生和旱生,现已逃逸而成为极难防除的恶性杂草(娄远来等,2002。对农业、园艺、养殖业和交通运输业等造成了非常严重的后果(谭万忠,1994a ;刘全儒等,2002;张俊喜等,2004。目前,对空心莲子草的研究主要集中在其生物学特性(张格成,1993、分布(谭万忠,1994b ;淮虎银等,2

10、003、不同生境的解剖结构(张彪,2001;娄远来等,2004;陶勇和江明喜,2004、生物化学防除(王韧和王远,1988、净化污水和利用(贾凤芝等,1998;夏汉平,2000等方面。而关于其耐盐生理机制鲜见报道。本文对盐胁迫下空心莲子草植株鲜重、干重、含水量和肉质化程度,不同器官的Na +和K +含量,净光合速率和膜稳定性进行测定,旨在研究空心莲子草在盐渍环境下生长状况及耐盐能力,对于预测它在我国分布的潜在范围,防止其生态入侵和综合治理的方面提供参考。1 材料与方法1.1 植物培养7月中旬剪取土壤质地均一,生长一致的空心莲子草植株(4节,苗长12cm 扦插于装有干净细砂的塑料盆中,每盆细砂量

11、相等,每盆5株幼苗,共60盆。用Hoagland 培养喷灌,室外培养。幼苗生长至三周时进行NaCl 处理。1.2 NaCl 处理NaCl 处理的预定浓度为0(对照、50、100、150、200、250、300、 Hoagland 营养液配置( + ,为避免盐冲击效应 ,盐浓度高 养液每 天递增, 直至预定浓度,然后每天定时、定量用预定盐浓度的营养液 浇灌1次,浇灌量为持水量的2倍 ,液流出,从而将积余的盐冲洗掉,以保持NaCl 浓度恒定。空心莲子草幼苗处理20d 后,分别取样测定有关指标,生长指标测定,每个处理68个重复;各项生理指标测定,每个处理至少3个重复,结果取平均值。1.3 植株鲜重、

12、干重、含水量、叶片肉质化程度及根冠比的测定将整株植物从培养盆中完整取出,用自来水快速冲洗干净,再用蒸馏水迅速将植株冲洗3次,用吸水纸吸干表面水分,立即称鲜重。再将鲜样品材料置105烘箱中杀青10min ,转至65烘干,称得干重。植物含水量=(单株鲜重-100%;肉质化程度=1.4 Na +、K +、Pro 、FAA 和S S 含量测定参照Hunt (1982方法,稍作改动。取干样的根、茎和叶分别研磨,1mm 过筛,精确称取50mg 放于50mL 三角瓶中,加入25mL 0.盐酸,50振荡水浴45min ,过滤并用蒸馏水定容至50mL ,用WFX -110型原子吸收分光光度计分别测定Na +和K

13、 +含量。各处理中,取同一部位新鲜材料,先后用自来水、蒸馏水清洗,用吸水纸吸干表面水分,用蒽酮比色法测定S S 含量(於新建,1999;用茚三酮比色法测定FAA 含量(西北农业大学,1985;采用茚三酮比色法Pro 含量测定(T roll ,1995。1.5 净光合速率、气孔导度、细胞间隙CO 2浓度和蒸腾速率的测定用CI -310便携式光合作用测定系统(美国CID 公司于上午10:0011:30测定净光合速率(Pn 。测定时光合有效辐射为800mol m -2s -1,温度为30,CO 22浓度为21%。以上都取同一部位功能叶(从顶部倒数第5对进行测定,各处理重复810次(n =810,结果

14、取平均值。1.6 质膜透性和MDA 含量测定叶片质膜透性按照李振国方法(1999进行;MDA 含量测定按Heath and Packer 方法(1968进行。2 结果与分析2.1 植株鲜重、干重、含水量、肉质化程度和根冠比图1表明,盐胁迫下空心莲子草单株鲜重和干重均低于对照,且随着盐处理浓度的增加,单处理单株鲜重和干重分别比对照下降0.98%64.5%和2.58%55.3%。盐胁迫对植物的伤害之一为水分胁单株含水量和肉质化程度均高于对照1.0%和1.6%(P 0.05;化程度分别比对照下降了0.5%4.1%和2.8%20.5%。图1还显示,随着处理盐浓度的增加,根冠比逐渐下降,且下降幅度也逐渐

15、增大。2 云 南 植 物 研 究 29卷 图1 盐处理对空心莲子草单株鲜重、干重、含水量、肉质化程度(a 和根冠比(b 的影响Fig .1 Effects of salt treatment on the fresh and dry weights ,the water content and succulency degree (a and the root shoot ratio (b of whole plant of Alternanthera philoxeroides图2 盐处理对空心莲子草Na +(a 和K +(b 含量的影响Fig .2 Effects of salt trea

16、tment on Na +(a and K +(b contents of Alternanthera philoxeroides2.2 Na +和K +含量如图2所示:空心莲子草根、茎和叶Na +含量均随盐处理浓度增大而上升,而根、茎和叶K +含量则均随盐处理浓度增大而下降。NaCl 350 根、茎 和叶Na +含量 分别是对 照的308%、456%和 457%,而根、茎和叶K +含量分别是对照的60.8%、58.0%和59.2%。在同一盐浓度处理下,根、茎和叶的Na +和K +含量都为叶茎根。2.3 Pro 、FAA 和S S 含量图3显示,NaCl 空心莲子草,其叶片的Pro 含量略低于

17、对照(P 0.01,大于此浓度处理后,Pro 含量急剧增加,且是对照的1.810.1倍(P 0.01;NaCl 50理,FA A 含量分别比对照下降了6.2%46.2%(P 0.05,大于此浓度处理后其含量逐渐降低,分别比对照下降了3.5%24.8%。2.4 Pn 、Gs 、Tr 和Ci图4表明:盐处理后,Pn 、Gs 和Tr 均低于对照,且NaCl 50,叶片的Pn 、G s 和Tr 分别比对照下降了4%51.3%(P 31期 刘爱荣等:盐胁迫对空心莲子草生长和光合作用的影响0.05,9.6%44.9%(P 0.05和5%49.3%(P 0.05;而Ci 随处理的盐浓度的升高而上升,NaCl

18、 50 理,Ci 比对 照上升了2.8%16. 9%。图3 盐处理对空心莲子草脯氨酸(Pro 、自由氨基酸 (FAA 和可溶 性糖(SS 含量的影响Fig .3 Effects of salt treatment on proline (Pro ,free amino acid (FAA and soluble sugar (SS contents of Alternanthera philoxeroides图4 盐处理对空心莲子草净光合速率(Pn 、气孔导度(Gs 、蒸腾速率(Tr 和胞间CO 2浓度(Ci 的影响Fig .4 Effects of salt treatment on net

19、 photosynthetic rate ,stomatalconductance ,transpiration rate and intercellular CO 2concentration of Alternanthera philoxeroides2.5 相对电导率和MDA 含量细胞外液中相对电导率可以反映细胞质膜透性变化情况。由图5可知盐处理后叶片相对电导率均高于对照;NaCl 50,各处理是对照的1.615.7倍(P 0.01。NaCl 50理下,叶片MDA 含量是对照的74.4%和94.8%,NaCl 150,MDA 含量比对照增加了2.5%63.3%。图5 盐处理对空心莲子草相

20、对电导率和丙二醛含量的影响Fig .5 Effect of salt treatment on the relative conductivityand MDA content of Alternanthera philoxeroides3 讨论Greenway and M unns (1980给了盐生植物一个定义,认为在渗透压为3.3bar 单价盐的盐渍生境自然生长的植物就是盐生植物。本实验中,经NaCl 理40d 空心莲子草仍能生长,但生长缓慢,在供试植株中无因受到盐害而致死的植株,NaCl 理40d 有68%的植株死亡。由此可以认为空心莲子草为盐生植物(halophyte 。陶勇和江明喜

21、报道(2004空心莲子草适应水生和陆生环境,本实验显示它还能适应盐渍生境,因此,空心莲子草可以适应多种生境。盐胁迫下空心莲子草单株干重和鲜重均低于对照的64.5%和55.3%,含水量和肉质化程度都下降(图1等实验结果表明:空心莲子草的耐盐性不强,最适盐浓度较低;随盐处理浓度的增加,物质的积累减少,盐胁迫产生的伤害加重,对空心莲子草生长的抑制作用加强;盐胁迫下根冠比的下降(图1显示,其根部受盐害程度大于地上部。Bohnert 等(1995报道盐胁迫主要是渗透胁迫和离子毒害,为了抵御盐分的胁迫,植物体形成了一系列的调节适应机制。刘友良和汪良驹报道(1998,植物的盐害机理主要是盐胁迫造成的渗透胁迫

22、、离子毒害和营养缺乏所致。在盐渍条件下,空心莲子草根系在吸收水分、矿质营养的同时不可避免地吸收过多Na +,随盐处理浓度的升高,根、茎和叶的Na +含量也逐渐增加,而4 云 南 植 物 研 究 29卷K +含量则逐渐减少(图2等实验结果表明:第一,空心莲子草和其它盐生植物一样,吸收较多Na +,降低水势,来进行渗透调节的;第二,根虽然可保留其吸收的Na +,但其中大部分向上运输,积累于茎和叶中;第三,在盐胁迫下,过多的Na +限制了其根对K +的吸收及K +由根向茎和叶的运输,造成植株的K +营养亏缺,从而造成伤害效应,引起生长量下降。因此高浓度的盐胁迫引起的Na +毒害和K +缺乏,干扰了离

23、子稳态,可能是其耐盐能力不强的原因之一。植物适应盐渍环境,不仅积累无机离子,同时还主动合成可溶性的有机小分子物质进行渗透调节(赵可夫和李法曾,1999。Bay 等(2004报道渗透调节(osmotic adjustment 就是植物细胞中溶质颗粒数目净增的过程,是植物适应干旱及盐性土壤的生物化学机制。NaCl 理 ,Pro 含量略低于对照,推测此浓度处理可能对空心莲子草还没有构成渗透胁迫;而高于此浓度Pro 含量则急剧增加,可能是空心莲子草适应盐胁迫主动进行渗透调节的结果。随着盐处理浓度的增加,叶片中FAA 和SS 含量逐渐减少(图3等实验结果显示,空心莲子草叶片中不依赖FA A 和SS 进行

24、渗透调节。因此空心莲子草依赖Na+(根、茎和叶和Pro (叶进行渗透调节,而不依赖K+(根、茎和叶和FAA (叶和SS (叶进行渗透调节。可能空心莲子草还有其它可溶性无机和有机渗透调节物质,它们的分布情况还有待分析。另从Na +和Pro 含量(图2、3来看,Na +含量明显高于Pro ,显示Na +对渗透调节的作用明显高于Pro 的;而高浓度盐胁迫下,Pro 增加倍数显著高于Na +,表明Pro 积累的速度远远高于Na +。目前把Pro 积累的作用大致归结为4个方面(刘爱荣和赵可夫,2005,推测盐胁迫下空心莲子草中Pro 积累,它既可能有适应性的意义,又可能是细胞结构和功能受损伤的表现,是一

25、种伤害反应。逆境胁迫下,引起植物叶片光合效率降低的植物自生因素主要有气孔的部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性的下降导致的非气孔限制两类。前者使Ci 降低,而后者使Ci 增高。当这两种因素同时存在时,Ci 变化的方向取决于占优势的那个因素(许大全,1997。盐胁迫下水稻净光合速率降低的原因,短时间内以气孔限制因素为主,长时间时以非气孔限制因素为主(王仁雷,2002。本实验中,盐处理后,空心莲子草叶片的Pn 和G s 均低于各自对照,Ci 则均高于对照(图4。表明盐胁迫下,空心莲子草可能通过降低Gs 来减少水分蒸腾而适应渗透胁迫的,这可以从Tr 的下降中得以证实(图4;同时还表明Pn 的下降

26、与Ci 关系不大,可能空心莲子草叶片的光合速率的下降是叶肉细胞光合活性的下降导致的非气孔限制所致。膜系统尤其细胞质膜是环境胁迫对植物伤害的最敏感部位和原初位点,在盐胁迫下植物体内活性氧的积累,能启动膜脂中不饱和脂肪酸的过氧化,导致膜脂和膜蛋白的损伤,破坏膜结构和功能稳定性,引起伤害(Senaratna 等,2000;斯琴巴特尔和吴红英,2001。MDA 是活性氧启动膜脂过氧化过程中产生的主要产物之一(Gosset ,1994,其含量高低是用来衡量植物在逆境胁迫下活性氧伤害及细胞膜伤害程度的常用指标(许明丽等,2000。龚明等(1989报道质膜相对透性的增加与膜质过氧化作用呈显著正相关。本实验中

27、,随着盐处理浓度的增加,叶片相对电导率均高于对照,低浓度盐处理叶片M DA 含量低于对照,高浓度盐处理时,其MD A 含量均高于对照(图5。推测低浓度的盐处理,不会引起膜质过氧化,膜没有受到伤害,而相对电导率的增加,可能是不可避免地积累了Na +所致;高浓度的盐处理,引起膜质过氧化,膜结构和功能稳定性被破坏,胞内物质泄漏,这可以从相对电导率的急剧增加得以证实(图5。所以,高浓度盐胁迫下,MDA 积累和膜受伤害,可能又是其耐盐性不强的另一因素。综上所述,空心莲子草的最适盐浓度在NaCl 故其耐盐性不强;盐渍环境下,Na +积累其地上部茎和叶,抑制K +的吸收,引发K +缺乏及水分渗透胁迫等原初胁

28、迫;同时肉质化程度弱,Pn 下降,质膜透性下降,MDA 积累等次生胁迫,两种胁迫最终引发生长量下降等,可能都是其耐盐性不强的原因;其叶片依赖Na +和Pro 进行主动的渗透调节,不依赖K +、SS 和FAA 进行渗透调节。另外,据实验结果推测,空心莲子草有可能向盐渍土壤蔓延。致谢 王文锐同学在试验中给予了极大的帮助。51期 刘爱荣等:盐胁迫对空心莲子草生长和光合作用的影响6 参 考 文 献 云 南 植 物 研 究 29 卷 der salt stress J . Acta Photophysiol Sin ( 植物 生理 与分子 生物 学学 报 , 31 (4 : 389 395 31 刘友良

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